萃取過程的計(jì)算

12萃取本章學(xué)習(xí)要求熟練掌握萃取過程的原理；部分互溶物系的液-液相平衡關(guān)系；萃取過程（包括單級萃取、多級錯(cuò)流萃取和多級逆流萃取）的計(jì)算；對于組分B、S部分互溶體系，要會熟練地利用杠桿規(guī)則在三角形相圖上迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行萃取過程計(jì)算；對于組分B、$不互溶體系，則可仿照吸收的計(jì)算方法。理解溶劑選擇的原則；影響萃取操作的因素；萃取劑和操作條件的合理選擇；萃取過程的強(qiáng)化措施。了解萃取操作的經(jīng)濟(jì)性；萃取操作的工業(yè)應(yīng)用；液■液萃取設(shè)備及選用。12.1概述液-液萃取又稱溶劑萃取，是向液體混合物中加入適當(dāng)溶劑（萃取劑），利用原混合物中各組分在溶劑中溶解度的差異，使溶質(zhì)組分A從原料液轉(zhuǎn)換到溶劑S的過程，它是三十年代用于工業(yè)生產(chǎn)的新的液體混合物分離技術(shù)。隨著萃取應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，回流萃取，雙溶劑萃取，反應(yīng)萃取，超臨界萃取以及液膜分離技術(shù)相繼問世，使得萃取成為分離液體混合物很有生命力的單元操作之一。蒸餾和萃取均屬分離液體混合物的單元操作，對于一種具體的混合物，要會經(jīng)濟(jì)合理化的選擇適宜的分離方法。一般工業(yè)萃取過程分為如下三個(gè)基本階段：混合過程將一定量的溶劑加入到原料液中，采取措施使之充分混合，以實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)由原料向溶劑的轉(zhuǎn)移的過程；沉降分層分離出萃取相與萃余相。脫出溶劑獲得萃取液與萃余液，回收的萃取劑循環(huán)使用。萃取過程可在逐級接觸式或微分接觸式設(shè)備中進(jìn)行，可連續(xù)操作也可分批進(jìn)行。12.2液液相平衡12.2.1三角形相圖根據(jù)組分間的互溶度，三元混合體系可分為兩類：（1）I類物系組分A、B及A、S分別完全互溶，組分B、S部分互溶或完全不互溶；（2）n類物系組分A、S及組成B、，形成兩對部分互溶體系本章重點(diǎn)討論I類物系連續(xù)操作的逐級接觸萃取過程。12.2.1三元體系的相平衡關(guān)系萃取過程以相平衡為極限。相平衡關(guān)系是進(jìn)行萃取過程計(jì)算和分析過程影響因素的基本依據(jù)之一。對于組分B、S部分互溶物系，相的組成、相平衡關(guān)系和萃取過程的計(jì)算，采用等腰三角形相圖最為方便。常用質(zhì)量百分率或質(zhì)量分率表示相組成。1相組成在三角形相圖上的表示三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別表示純組分A、B、S。三角形的邊AB、AS和SB依次表示組分A與B、A與S以及S與B的二元混合液。三角形內(nèi)任意一點(diǎn)代表三元混合液的組成。2相平衡關(guān)系在三角形相圖上的表示⑴溶解度曲線、聯(lián)結(jié)線、輔助曲線和臨界混熔點(diǎn)要能夠根據(jù)一定條件下測得的溶解度數(shù)據(jù)和共軛相的對應(yīng)組成在三角形相圖上準(zhǔn)確作出溶解度曲線、聯(lián)結(jié)線、輔助曲線（又稱共軛曲線），并確定臨界混溶點(diǎn)。會利用輔助曲線由一已知相組成點(diǎn)確定與之平衡的另一相組成點(diǎn)的坐標(biāo)位置。溶解度曲線將三角形分成單相區(qū)（均相區(qū)）與兩相區(qū)，萃取操作只能在兩相區(qū)中進(jìn)行。不同物系在相同溫度下具有不同形狀的溶解度曲線。同一物系，當(dāng)溫度變化時(shí).可引起溶解度曲線和兩相區(qū)面積的變化，甚至發(fā)生物系的轉(zhuǎn)化。一般溫度升高，組分間互溶度加大，兩相區(qū)面積縮小，不利于萃取分離。一定溫度下，同一物系的聯(lián)結(jié)線傾斜方向隨溶質(zhì)組成而變，即各聯(lián)結(jié)線一般互不平行，少數(shù)物系聯(lián)結(jié)線的傾斜方向也會發(fā)生改變（等溶度體系）。⑴分配系數(shù)和分配曲線分配系數(shù)在一定溫度下，溶質(zhì)A在平衡的萃取相和萃余相中組成之比稱為分配系數(shù)，即同樣，對干組分B也可寫出相應(yīng)表達(dá)式:在操作條件下，若組分B、S互不相溶，則以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)可改寫成如下式，即分配曲線若主要關(guān)心溶質(zhì)A在平衡的兩液相中的組成關(guān)系，則可在直角坐標(biāo)圖上表示相組成，即在直角坐標(biāo)圖畫出X-y關(guān)系曲線，此即分配曲線。在操作條件下，若組分B、S不互溶，則可仿照吸收中平衡曲線的方法作出以質(zhì)量比表示相組成的XY相圖。再若在操作范圍內(nèi)，以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)K為常數(shù)，平衡關(guān)系可表示為直線方程，即分配曲線為通過原點(diǎn)的直線。3萃取過程在三角形相圖上的表示(1)萃取過程的三個(gè)基本階段萃取過程的三個(gè)基本階段可在三角形相圖上清晰地表達(dá)出來?；旌蠈kg的萃取劑加到Fkg的料液中并混勻，即得到總量為Mkg的混合液，其組成由點(diǎn)M的坐標(biāo)位置讀取。F+S=MF”+饑=式中，F(xiàn)為料液量，kg或kg/s;S為萃取劑的量，kg或kg/s;M為混合液的總量，kg或kg/s;xF為原料液中溶質(zhì)的質(zhì)量分率；ys為溶劑中溶質(zhì)的質(zhì)量分率，對于純?nèi)軇?，ys二°xm為混合液中溶質(zhì)的質(zhì)量分率。沉降分層混合液沉降分層后，得到平衡的兩液相E、R,其組成由圖上讀得，各相的量由杠桿規(guī)則及總物料衡算求得，即式中E為萃取相的量，kg或kg/s；R為萃余相的量，kg或kg/s瑟、顧分別代表線段的長度。圖中的虬點(diǎn)稱為和點(diǎn)，R、E或F、，稱為差點(diǎn)。脫除溶劑若將得到的萃取相及萃余相完全脫除溶劑，則得到萃取液占'和萃余液，其組成由圖上讀得，其量利用杠桿規(guī)則確定，即E'=F^=一皿f"'+k'杠桿規(guī)則是物料衡算過程的圖解表示，萃取過程在三角形相圖上的表示和計(jì)算，關(guān)鍵在干熟練地運(yùn)用杠桿規(guī)則。（2）萃取劑的選擇萃取劑的選擇是萃取操作分離效果和是否經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。選擇萃取劑時(shí)時(shí)主要考慮如下因素。萃取劑的選擇性和選擇性系數(shù)—/—=kA!選擇性是指萃取劑S對原料液中兩個(gè)組分溶解能力的差異，可用選擇性系數(shù)/來表示，其對應(yīng)于蒸餾中的相對揮發(fā)度吃統(tǒng)稱為分離因子。萃取操作中0直均應(yīng)大于1。點(diǎn)值越大，越有利于組分的分離；若潑=1,萃取相和萃余相脫除溶劑S后將具有相同的組成，且均等于原料液的組成，無分離能力，說明所選擇的萃取劑是不適宜的。當(dāng)在操作條件下組分B、S可視作不互溶時(shí)，^E=0，選擇性系數(shù)趨于無窮大。組分B、S間的互溶度組分B、S間的互溶度愈小愈有利萃取分離，完全不互溶為理想情況。萃取劑回收的難易易于回收可降低能量消耗。其它兩相密度差要大，界面張力適中，粘度與凝固點(diǎn)要低，化學(xué)及熱穩(wěn)定，無毒不易燃，來源充，價(jià)格低廉等。12.2萃取過程的計(jì)算重點(diǎn)討論級式接觸萃取過程的計(jì)算，且假設(shè)各級均為理論級。單級接觸萃取單級萃取操作中，通常有兩種類型計(jì)算：(1)已知原料液組成技及其處理量『，規(guī)定萃余相組成與，要求計(jì)算萃取劑用量S、萃余相的量占及衣、萃取相的組成乃。萃取劑的用量占可利用杠桿規(guī)則確定:萃取相的組成由其坐標(biāo)位置從圖上讀得，E相和R相的量用杠桿規(guī)則和物料衡算式計(jì)算。(2)已知原料液的組成樸及其處理量『、要求計(jì)算萃取相、萃余相的量及兩相的組成。此類計(jì)算需利用輔助曲線通過和點(diǎn)M試差法作聯(lián)結(jié)鮮.兩相組成由聯(lián)結(jié)線兩端的坐標(biāo)位置讀得，兩相的量用杠桿規(guī)則和物料衡算式計(jì)算。當(dāng)組分B、S可視作完全不互溶時(shí)，則以質(zhì)量比表示相組成的物料衡算式為改心-芍)=經(jīng)過單級萃取后所能獲得的最高萃取液組成扁-一般可由點(diǎn)S作溶解度曲線的切線￡虹而確定。多級錯(cuò)流接觸萃取多級錯(cuò)流接觸萃取操作的特點(diǎn)是：每級都加入新鮮溶劑，前級的萃取相為后級的原料，傳質(zhì)推動力大。只要級數(shù)足夠多，最終可獲得所希望的萃取率，其缺點(diǎn)是溶劑用量較多。多級錯(cuò)流接觸萃取設(shè)計(jì)型計(jì)算中，通常已知F、％。及各級溶劑用量S/規(guī)定最終萃余相組成％，要求計(jì)算所需理論級數(shù)。根據(jù)組分B、S的互溶度，萃取理論級數(shù)的計(jì)算有如下三種方法：①組分B、S不互溶時(shí)的直角坐標(biāo)圖解法設(shè)各級溶劑用量相等，則各級萃取相中的溶劑禺和萃余相中的稀釋劑B均可視作常量，在X�Y坐標(biāo)上求解萃取級數(shù)非常簡便。%=--xa+(-xK1+r^錯(cuò)流萃取的操作線方程式為￡￡-在x-y坐標(biāo)圖上求解萃取理論級數(shù)的步驟略。解析法求解理論級數(shù)若在操作條件下，組分B、S可視作完全不互溶，且以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)K可視作常數(shù)，再若各級溶劑用量相等，則所需萃取級數(shù)可用下式計(jì)算:匝(1+蟲)K-也⑶多級逆流接觸萃取多級逆流接觸萃取操作的特點(diǎn)是：大多為連續(xù)操作，平均推動力大、分離效率高、達(dá)到規(guī)定萃取率溶劑用量最少。多級逆流萃取的設(shè)計(jì)型計(jì)算中，原料液處理量F及其組成A、最終萃余相組成L均由工藝條件規(guī)定，溶劑用量S及其組成光由經(jīng)濟(jì)權(quán)衡而選定，要求計(jì)算所需的理論級數(shù)。根據(jù)組分B、S的互溶度及平衡關(guān)系，理論級數(shù)的計(jì)算可分別采用如下方法。組分B、S部分互溶時(shí)的圖解計(jì)算法對于組分B、S部分互溶物系，常在三角形坐標(biāo)圖上利用平衡關(guān)系和操作關(guān)系，用逐級圖解法求解理論級數(shù)。多級逆流萃取的操作線方程式為F-曷=我1一&=…=氏_1-WR=%式中的占稱為操作點(diǎn)，為各條操作線上的共同點(diǎn)，可將其視為通過各級的“凈流量”。A為虛擬量，通常由『&與￡氏的延長線交點(diǎn)來確定點(diǎn)&的位置。若萃取過程所需理論級數(shù)較多時(shí)，可在直角坐標(biāo)圖上繪出分配曲線與操作線，在操作線與分配曲線之間畫階梯求解理論級數(shù)。組分B、S不互溶時(shí)理論級數(shù)的計(jì)算根據(jù)平衡關(guān)系情況，可用圖解法和解析法求解理論級數(shù)。在X-Y坐標(biāo)圖上求解理論級數(shù)的方法與脫吸計(jì)算十分相似。此時(shí)的操作線方程式為%=號心+（"沙）若在操作范圍內(nèi)以質(zhì)量比表示相組成的分配系數(shù)為常數(shù)時(shí)，可用下式求解理論級數(shù)：再若分配曲線與操作線為互相平行的直線時(shí)（即&=1），所需理論級數(shù)可表示為￡￡溶劑比斯（或百）和萃取劑的最小用量和精餾中的回流比R、吸收中的液氣比L/V相對應(yīng)，萃取中的溶劑比S/F（或S/B）表示了萃取用量對設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)的影響，達(dá)到指定分離程度需要無窮多個(gè)理論級時(shí)所對應(yīng)的萃取劑用量為最小溶劑用量，用電表示。在三角形相圖上，出現(xiàn)某條操作線與聯(lián)結(jié)線重合時(shí)對應(yīng)的最即為最小萃取劑用量。在X-y或X-Y坐標(biāo)圖上，出現(xiàn)某操作線與分配曲線相交或相切時(shí)對應(yīng)的電即為最小萃取劑用量。對于組分B、S完全不互溶的物系，萃取劑的最小用量可用下式計(jì)算：適宜的萃取劑用量通常取為S=1，1—2.0電。⑷微分接觸逆流萃取微分接觸逆流萃取操作常在塔式設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。塔式設(shè)備的計(jì)算和氣液傳質(zhì)設(shè)備一樣，即要求確定塔高及塔徑兩個(gè)基本尺寸。①塔高的計(jì)算塔高的計(jì)算有兩種方法，即（a）理論級當(dāng)量高度法h=忒.HETS'）式中HETS為理論級當(dāng)量高度，m;

h為萃取段的有效高度，m;n為逆流萃取所需理論級數(shù)，無因次(b)傳質(zhì)單元法(以萃取相為例)假設(shè)在操作條件下組分B、S完全不互溶，用質(zhì)量比表示相組成，再若在整個(gè)萃取段內(nèi)體積傳質(zhì)系數(shù)茂應(yīng)^可視作常數(shù)，則萃取段的有效高度可用下式計(jì)算：我=H皿式中占潴為萃余相的總傳質(zhì)單元高度，m；丑皿一M坤茂應(yīng)"為總體積傳質(zhì)系數(shù)，kg/(ms?h?Ax)叫依為萃余相的總傳質(zhì)單元數(shù)；萃取相的總傳質(zhì)單元高度或總體積傳質(zhì)系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測定，也可從手冊查得。萃余相的總傳質(zhì)單元數(shù)可用圖解積分法求得。當(dāng)分配系數(shù)K為常數(shù)時(shí)，或9衛(wèi)可用平均推動力法或萃取因子法計(jì)算。萃取因子法的計(jì)算式當(dāng)4=1時(shí)，%"2.塔徑的計(jì)算塔徑的尺寸取決于兩液相的流量及適宜的操作速度，可用下式計(jì)算:V磯V私式中％匕分別為連續(xù)相與分散相的體積流量，ms/s;

"分別為連續(xù)相與分散相的空塔氣速，m/s;實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，空塔速度可取液泛速度的50%一80%。關(guān)于液泛速度，許多研究者針對不同類型的萃取設(shè)備提出了經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式，還有的繪制成關(guān)聯(lián)線圖。12.3液一液萃取設(shè)備12.3.1概述和氣液傳質(zhì)過程相類似，在液一液萃取過程中，要求萃取相和萃余相在設(shè)備內(nèi)密切接觸，以實(shí)現(xiàn)有效的質(zhì)量傳遞；爾后，又能使兩相快速、完善分離，以提高分離效率。由于萃取操作兩相密度差較小，對設(shè)備提出了更高的要求。為使兩相密切接觸、適度湍動、高頻率的界面更新，可采用外加能量，如機(jī)械攪拌、射流和脈沖等；為兩相完善分離，除重力沉降分離外，還可采用離心分離（離心分離機(jī)、旋液分離器等）；萃取設(shè)備的分類屬兩相接觸方式，可分為逐級接觸式和微分接觸式兩類；根據(jù)有無外功加入，可分為有回水量和無外加能量兩種。工業(yè)上常用萃取設(shè)備的分類情況見相關(guān)章節(jié)萃取設(shè)備的選擇根據(jù)物系性質(zhì)、分離的難易和程度、設(shè)備特性等合理選取萃取設(shè)備類型和尺寸。12.3.2萃取設(shè)備的選擇各種不同類型的萃取設(shè)備具有不同的特性，萃取過程中物系性質(zhì)對操作的影響錯(cuò)綜復(fù)雜.對于具體的萃取過程選擇適宜設(shè)備的原則是:首先滿足工藝條件和要求,，然后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)總和趨于最低.萃取設(shè)備的選擇，應(yīng)考慮如下的因素：所需的理論級數(shù)當(dāng)所需的理論級數(shù)不大于2-3級時(shí),各種萃取設(shè)備均可滿足要求；當(dāng)所需的理論級數(shù)較多仗□大于4-5級）時(shí)，可選用篩板塔;當(dāng)所需的理論級數(shù)再多（如10-20級）時(shí)，可選用有能量輸入的設(shè)備,如脈沖塔,轉(zhuǎn)盤塔，往復(fù)篩板塔，混合澄清槽等.生產(chǎn)能力當(dāng)處理量較小時(shí),可選用填料塔，脈沖塔.對于較大的生產(chǎn)能力，可選用篩板塔，轉(zhuǎn)盤塔及混合-澄清槽.離心萃取器的處理能力也相當(dāng)大.物系的物性性質(zhì)對界面張力較小，密度差較大的物系，可選用無外加能量的設(shè)備.對密度差小,界面張力小,易乳化的難分層物系，應(yīng)選用離心萃取器.］對有較強(qiáng)腐蝕性的物系,宜選用結(jié)構(gòu)簡單的填料塔或脈沖填料塔.對于放射性元素的提取，脈沖塔和混合澄清槽用得較多.若物系中有固體懸浮物